COSMIC掩星大氣水汽廓線的質量分析

陳 冰，龔 紹 琦，張 存 杰，閔 愛 蓮，王 海 君，韓 靜

(1.南京信息工程大學遙感與測繪工程學院，江蘇 南京210044；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 三亞 570203；3.國家氣候中心，北京100081；4.南京信息工程大學環境科學與工程學院，江蘇 南京210044)

0 引言

水汽是大氣中最活躍的成分之一，其空間分布極不均勻、時間變化快，是生成云和降水的必要條件；同時，水汽通過大氣平流和垂直輸送、蒸發與凝結等過程影響大氣輻射，進而影響地—氣間的水分循環和能量平衡。因此，水汽是天氣預報、氣候變化乃至全球變化監測的重要對象。

目前可用的水汽資料包括：1)經驗柵格模型的ECMWF[1]和NCEP/NCAR[2]再分析數據，多用于局部水汽研究，空間分辨率偏低(最高為0.125°×0.125°)；2)地基數據，包括探空數據[3]、GNSS反演水汽數據[4]、太陽光度計觀測數據[5]、微波輻射計數據[6]和激光雷達數據[7]，除探空數據每天觀測2次外，其他數據觀測頻率高達15 min/次甚至5 min/次，數據準確，但觀測站點少且分布不均，無法進行有效的空間分布特征分析；3)空基水汽數據，源于微波遙感、熱紅外遙感[8]、近紅外遙感[9]及GNSS掩星反演，時空分辨率高，但該類數據主要為大氣總水汽量數據，很少有大氣垂直剖面的水汽數據。隨著低軌衛星無線電掩星技術不斷發展，由低軌衛星搭載GNSS掩星接收機能在全球范圍內獲得大氣剖面溫濕壓數據[9-12]，這些數據成本低、精度高、垂直分辨率高，且不受云雨天氣影響，還能提供洋面上方的溫濕廓線分布信息，是高空大氣探測不可或缺的一部分。其中，COSMIC星座由6顆微小衛星組成[13]，衛星掃描周期為100 min，每天能得到約2 000個近實時掩星點的大氣垂直剖面數據[14]，是當前GNSS掩星數據最多的一個星座。然而，當前國內外研究主要利用探空數據和再分析數據對COSMIC大氣溫濕和折射率廓線進行局部區域質量分析[15-20]，缺少對全球范圍的深度研究。因此，本文利用全球探空數據對COSMIC大氣水汽廓線數據進行不同高度、緯度和季節的質量評估，選取近地面和對流層頂兩個典型高度分析全球水汽的時空分布特征，為COSMIC大氣水汽廓線數據在全球數值天氣預報中的應用奠定基礎。

1 數據與研究方法

1.1 數據

1.1.1 COSMIC掩星數據 COSMIC星座中每個微小衛星都搭載了高精度GPS雙頻接收機，能精確記錄由GPS衛星發射的微波信號。COSMIC掩星數據反演步驟為：根據多普勒頻移原理計算微波信號的相位延遲，通過相位延遲序列獲取多普勒殘差，并結合精密GPS和LEO衛星軌道信息，計算GPS信號的彎曲角變化函數；然后用Abel積分逆變換對彎曲角序列反演得到大氣折射指數剖面；最后通過理想氣體狀態方程、流體力學方程和大氣折射率方程反演得到水汽壓數據[21]。本文采用的COSMIC掩星水汽廓線數據源于美國COSMIC數據分析與存檔中心(Data Analysis and Archive Center)后處理的二級產品(WetPrf)，即基于前面反演得到的水汽壓數據，結合ECMWF再分析資料經過一維變分同化方法反演得到的大氣廓線，包括氣壓、海平面高度、折射率、氣溫和水汽壓數據，垂直分辨率為100 m，時間選擇2016年1月、4月、7月和10月，即一年中典型月份，數據下載網址為https://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/cdaac/products.html#cosmic。

1.1.2 無線電探空水汽壓數據 本文所用探空數據來源于南京信息工程大學氣象臺，數據日期與COSMIC掩星數據一致。無線電探空儀是高層大氣觀測的主要儀器，全球共分布1 000多個探空站，每天早晚兩次通過釋放探空氣球觀測大氣剖面，并在UTC 0時和12時發布數據，觀測要素有位勢高度、氣壓、氣溫、相對濕度、風速和風向，觀測的特征層高度分別為從地表到大氣剖面1 000 hpa、925 hpa、850 hpa、700 hpa、500 hpa、400 hpa、300 hpa、250 hpa、200 hpa、150 hpa和100 hpa的位置。理想條件下，經過校準的無線電探空大氣溫度數據精度為±0.5 ℃，相對濕度精度為±5%[15]，因此，無線電探空數據是目前精準的大氣觀測資料之一[3]，可作為其他觀測數據的基準。本文首先利用探空觀測的露點溫度t(適用范圍為-45～60℃)根據飽和水汽壓公式(1)[22]計算出特征層的大氣水汽壓esw，再與對應高度的COSMIC掩星水汽壓進行比較。

esw=e0×exp[17.15×t/(235+t)]

(1)

式中：e0=6.112 hpa，為0℃時的飽和水汽壓。

1.2 研究方法

本文首先對無線電探空數據、COSMIC掩星數據進行100 km空間距離和2 h觀測間隔的匹配，剔除匹配數據中的異常值；然后基于無線電探空數據，選擇平均偏差(MB)、均方根誤差(RMSE)和平均絕對百分比誤差(MAPE)分別從不同高度、季節和緯度對COSMIC水汽壓進行質量評估，確定COSMIC水汽壓的精度；最后，通過克里金插值對全球水汽壓在近地面(925 hpa)和對流層頂(300 hpa)兩個典型高度層的空間分布特征進行分析。具體流程如圖1所示。

圖1 數據處理與評估流程Fig.1 Flow chart of data processing and evaluation

1.2.1 COSMIC水汽壓與探空水汽壓匹配 COSMIC掩星點的位置每天都會發生變化，而無線電探空觀測除由探空氣球漂移引起的微小變化外，其觀測站點的位置相對固定。因此，在進行COSMIC水汽壓和探空水汽壓比較前，需對兩種數據集在每個觀測點上進行空間位置和觀測時間匹配。參考前人研究，選擇COSMIC掩星時間與探空觀測前后1 h、掩星點距探空站點100 km(≈1°)內的數據進行匹配[23-25]。具體實現過程為：1)水平空間匹配(由ArcGIS軟件完成)。首先，根據探空站點的經緯度生成點矢量文件，并在每個探空站周圍創建半徑為100 km的圓形緩沖區；其次，根據每天COSMIC所有掩星點的經緯度坐標生成點矢量文件，用探空站緩沖區對其裁剪，得到的掩星點實現了與探空站點的空間匹配；最后將裁剪后的COSMIC掩星點矢量文件與探空站點矢量文件進行屬性關聯，以便進行時間匹配。2)觀測時間匹配。由于全球無線電探空儀的觀測時間為UTC 0時和12時，而COSMIC掩星觀測時間為UTC 0-23時，因此，在完成水平空間匹配的數據對中，將前一天23-24時和當天0-1時之間的COSMIC數據與0時的探空數據進行匹配，將當天11-13時的COSMIC數據與12時的探空數據匹配，即實現兩種數據的時間匹配。以2016年4月的匹配結果(圖2)為例，由于探空數據的觀測站點相對固定，每天滿足匹配的COSMIC數據的空間位置變化不大，所以部分匹配數據重疊導致視覺上時空匹配結果較少。3)垂直空間匹配。由于無線電探空和COSMIC數據的垂直分辨率不同，因此，以探空數據特征層高度為基準，取兩種數據中具有相同氣壓的數據進行垂直高度匹配，選取氣壓為1 000 hpa、925 hpa、850 hpa、700 hpa、500 hpa、400 hpa、300 hpa、250 hpa和200 hpa的高度，然后比較對應高度的COSMIC水汽壓與探空水汽壓。

注：基于自然資源部標注地圖服務網站下載的審圖號為GS(2016)1663號的標準地圖制作，底圖無修改，下同。

1.2.2 COSMIC水汽壓質量評估 在完成COSMIC與探空水汽壓數據匹配后，需檢查匹配數據對中可能存在的離群值或異常值。已有研究表明，COSMIC不同高度比濕受異常值影響，使得相對誤差在-100%～1 000%之間[19]，參考本文COSMIC數據實際情況，將COSMIC水汽壓與探空水汽壓相對誤差小于-60%或大于100%的數據對剔除。因此，每個大氣層高度數據對的樣本數不同。氣壓1 000 hpa高度的樣本數為2 252，到700 hpa時增至最大值4 718，200 hpa時減少為2 329。為評估COSMIC水汽壓相對于探空水汽壓的精度，參考前人研究[26，27]，選擇平均偏差(MB)、均方根誤差(RMSE)和平均絕對百分比誤差(MAPE)作為COSMIC水汽壓數據質量的評價指標，MB越接近于0、RMSE和MAPE越小，則COSMIC水汽壓的精度越高。計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：Sk為COSMIC水汽壓值；Ik為探空水汽壓值；N為樣本數。

2 結果與分析

2.1 COSMIC水汽壓與探空水汽壓的高度差異

由COSMIC與探空水汽壓在不同高度的散點圖(圖3)可知，匹配的數據點大部分在1∶1線附近，相關系數在0.785～0.881之間，表明COSMIC水汽壓和探空水汽壓一致性較好。隨著氣壓由1 000 hpa降至200 hpa，相關系數先增大后減小，在500 hpa時達到最大值(R=0.881)；不同高度的MAPE在24.553%～37.956%之間，說明COSMIC水汽壓相對于探空水汽壓的精度隨高度發生變化，RMSE和MB均隨著高度的增加(氣壓的減小)而減小，一方面是由于大氣中水汽壓會隨著高度的增加逐漸減小，另一方面是由于低層COSMIC掩星和探空觀測的誤差也相對較大。從各散點圖中擬合直線與1∶1線的接近程度看，低層COSMIC水汽壓與探空水汽壓差異稍大，兩條直線的差異也大；隨著高度增加，大氣水汽含量逐漸減小，兩直線逐漸接近。

圖3 不同高度COSMIC與探空水汽壓的散點圖Fig.3 Scatter plots of water vapor pressure of COSMIC and radiosonde at different atmospheric heights

為更直觀地認識COSMIC與探空水汽壓在不同高度上的差異，繪制二者MB、RMSE和MAPE的垂直剖面圖(圖4)。可以看出，COSMIC水汽壓相對于探空水汽壓為負偏差，且越接近地表，偏差越大，在對流層頂及以上高空，COSMIC水汽壓與探空水汽壓偏差較小，二者趨于一致；RMSE隨高度增加而減小，且在對流層頂及以上高度趨向于0，這與徐桂榮等[28]在青藏高原地區得出的COSMIC水汽壓與探空水汽壓的結果相似，即在低層二者偏差較大，隨著高度增加偏差逐漸減小，在氣壓低于500 hpa、高度大于5.6 km時，二者偏差趨向于0；MAPE在925 hpa和850 hpa附近較小，在700～200 hpa區間，MAPE隨高度上升而逐漸增大，尤其是到500 hpa處及以上高度，誤差顯著增大至30%以上。杜明斌等[15]研究表明，中國區域和西北太平洋地區COSMIC水汽壓相對于探空水汽壓在925～200 hpa區間的RMSE為0～3 hpa；王洪等[17]對比分析2008年5-11月COSMIC水汽壓與探空水汽壓，發現二者的MB在30 km高度以內為-1～0.75 hpa，RMSE為0～3 hpa；馬旭林等[23]研究表明，我國COSMIC水汽壓在925～150 hpa區間的相對誤差為0～45%。盡管本文選用COSMIC數據的時間、區域不同，但得到的結果與已有研究結果吻合，說明COSMIC掩星系統及反演算法穩定，數據質量好。

圖4 不同高度COSMIC與探空水汽壓差異Fig.4 Differences of water vapor pressure between COSMIC and radiosonde at different atmospheric heights

2.2 COSMIC水汽壓與探空水汽壓的緯度差異

為比較COMIC水汽壓與探空水汽壓在不同緯度帶的質量差異，將全球劃分為低緯度(熱帶)地區(30°S～30°N)、中緯度地區(南北半球30°～60°)及高緯度地區(南北半球60°～90°)，并計算3個緯度區不同高度COSMIC水汽壓與探空水汽壓的MB、RMSE和MAPE值(圖5)。1)由圖5a可知，在氣壓為1 000～400 hpa的高度，不同緯度地區的MB始終為負，并隨著高度增加，MB的絕對值逐漸減小。低緯度地區的MB最大(-3.500～-0.030 hpa)，中緯度地區居中(-1.190～-0.020 hpa)，高緯度地區最小(-0.703～-0.012 hpa)，這主要與水汽含量的維度差異有關，低緯度地區水汽含量高于中、高緯度地區，導致COSMIC掩星和探空觀測的誤差均較大。在氣壓低于300 hpa的高度，MB接近0，幾乎不隨緯度變化而變化，主要是高空水汽含量低，其緯度差異很小，不同觀測方式獲得的水汽壓結果相似。2)由圖5b可知，在氣壓為1 000～400 hpa的高度，低緯度地區的RMSE最大(6.645～0.218 hpa)，中緯度地區次之(3.305～0.137 hpa)，高緯度地區最小(1.830～0.065 hpa)；當氣壓低于300 hpa時，不同緯度的RMSE均很小且接近。3)由圖5c可知，在氣壓高于850 hpa的低層，低緯度同中、高緯度的MAPE差異較大，這是由于低層大氣水汽含量大，COSMIC和探空觀測的水汽壓誤差稍大；在氣壓為850～500 hpa的高度，不同緯度的MAPE差異相對較小，原因是中層大氣水汽含量的緯度差異減小；而在氣壓低于400 hpa的高空，不同緯度的MAPE又變大，主要是高空水汽壓較小，不同緯度水汽壓細微的偏差都會引起MAPE較大的差異。

圖5 不同緯度地區COSMIC與探空水汽壓差異Fig.5 Differences of water vapor pressure between COSMIC and radiosonde in different latitude zones

由此可見，COSMIC水汽壓隨緯度變化存在明顯差異，馬旭林等[23]對比全球范圍內不同緯度海洋與陸地區域COSMIC水汽壓偏差，發現中低緯度陸地水汽壓偏差為正值，洋面水汽壓偏差為負值，由于海洋分布范圍較陸地廣，故中低緯度水汽壓偏差總體為負，與本文研究結論一致。

2.3 COSMIC水汽壓與探空水汽壓的季節差異

為確定COSMIC水汽壓在不同季節的差異性，以北半球的1月和南半球的7月代表冬季，北半球的4月和南半球的10月代表春季，北半球的7月和南半球的1月代表夏季，北半球的10月和南半球的4月代表秋季，計算不同季節COSMIC水汽壓與探空水汽壓的MB、RMSE和MAPE(圖6)。1)由圖6a可知，MB的絕對值隨高度上升而減小，在氣壓為1 000～400 hpa的高度，夏季的MB最大(-3.457～-0.039 hpa)，秋、冬季次之(-2.081～-0.034 hpa、-1.428～-0.012 hpa)，春季最小(-1.263～-0.013 hpa)；在氣壓低于300 hpa的高度，不同季節的MB均接近于0。2)由圖6b可知，不同季節的RMSE隨高度上升而減小。在氣壓為1 000～400 hpa的高度，夏季的RMSE最大(5.357～0.248 hpa)，秋季次之(5.135～0.151 hpa)，春、冬季相對較小；當氣壓低于400 hpa時，不同季節的RMSE接近，均在0.08 hpa以下。3)從圖6c可知，不同季節的MAPE隨高度上升而增大，數值在19.225%～39.679%之間，且夏季MAPE最大，秋季最小；在氣壓低于300 hpa的高度，不同季節的MAPE均為37%左右。綜上，COSMIC水汽壓的質量存在明顯的季節差異，夏季偏差最大，春、秋、冬季差異相對較小，與余君等[18]的研究結論相似。

圖6 不同季節COSMIC與探空水汽壓差異Fig.6 Differences of water vapor pressure between COSMIC and radiosonde in different seasons

2.4 COSMIC水汽壓的全球時空分布特征

選擇COSMIC 925 hpa和300 hpa對應的高度分別代表近地層和對流層頂兩個典型高度，利用ArcGIS軟件基于WGS84坐標系采用普通克里金插值法[29，30]對每天COSMIC所有掩星點在兩個典型高度的水汽壓數據以0.5°分辨率進行空間插值，用預測誤差均值和標準RMSE評價插值精度，預測誤差均值越小、標準RMSE越接近1，則插值質量越好。結果顯示，COSMIC水汽壓在近地層的誤差均值和標準RMSE分別為0.16～0.55 hpa和0.75～1.28 hpa，對流層頂分別為-0.0006～0.013 hpa和0.80～1.18 hpa，由于近地層水汽壓比對流層頂高，插值后的誤差均值也相對較高，但兩個高度的標準RMSE都接近1，表明COSMIC在兩個典型高度空間插值精度均較高。由此可見，盡管每天COSMIC掩星點的空間位置和觀測時間不固定，但其每天觀測的樣本數基本一致且在全球范圍內均勻分布，故對空間插值結果的影響不大。在此基礎上，對每天插值后的水汽壓數據按月平均，得到2個典型高度在1月、4月、7月和10月的全球水汽壓空間分布圖(圖7、圖8，彩圖見附錄1)，顯示了全球水汽壓典型月份的平均水平。

圖7 2016年1月、4月、7月和10月925 hpa氣壓高度的COSMIC水汽壓全球分布Fig.7 Global distribution of COSMIC water vapor pressure at 925 hpa in January,April,July and October 2016

由圖7可知，在氣壓925 hpa高度，全球水汽壓值為0～24 hpa，高值(18～24 hpa)分布在低緯度地區，低值(12 hpa以下)分布在高緯度地區，特別是兩極地區。從典型月份看，1月水汽壓的高值區范圍最小，低值區在北半球范圍最大、南半球范圍最小，主要是1月為北半球的冬季、南半球的夏季，北半球大氣水汽含量相對較低、南半球相對較高；7月水汽壓高值區范圍較大，且主要分布在北半球，較大范圍的低值區則分布在南半球；4月和10月在南北半球均為過渡性季節，水汽壓的高值區和低值區分布適中。可見，除1月南半球高緯度地區水汽壓低值區范圍較小外，其他3個典型月份水汽壓低值區范圍相近，可能與南半球高緯度地區常年覆蓋海冰、大氣水汽含量較低有關。由圖8可知，在氣壓300 hpa高度，全球水汽壓總體很低(0～0.28 hpa)，但不同緯度和季節差異仍很明顯，主要表現為低緯度地區水汽壓高、高緯度地區水汽壓低。北半球高緯度地區1月低水汽壓范圍最大，4月次之;北半球7月水汽壓相對較高，10月次之;而南半球高緯度地區7月低水汽壓范圍最大，其他3個典型月份水汽壓分布較一致。

圖8 2016年1月、4月、7月和10月300 hpa氣壓高度的COSMIC水汽壓全球分布Fig.8 Global distribution of COSMIC water vapor pressure at 300 hpa in January,April,July and October 2016

3 結論

本文評估了不同高度、緯度和季節COSMIC水汽壓與探空水汽壓的差異，分析了近地層(925 hpa)和對流層頂(300 hpa)COSMIC水汽壓的全球時空分布特征。結論如下：1)COSMIC水汽壓與不同高度的無線電探空水汽壓存在良好一致性，其MB、RMSE、MAPE分別為-1.657～-1.088×10-5hpa、0.005～4.189 hpa和24.553%～37.956%。在氣壓高于300 hpa的對流層，COSMIC和探空水汽壓的差異隨高度上升而減小，在對流層頂及以上高度，由于水汽含量低，二者差異可忽略不計。2)COSMIC與探空水汽壓的差異表現出明顯的緯度變化，在不同高度，二者偏差在低緯度地區最大，中緯度地區次之，高緯度地區最小；COSMIC水汽壓與探空水汽壓的季節性差異明顯，夏季差異最大，春、秋、冬季差異相對較小。3)在氣壓925 hpa和300 hpa兩個典型高度，COSMIC水汽壓在低緯度地區較高，高緯度地區較低，呈現由低緯向高緯遞減的趨勢；在1月和7月所屬的兩個典型季節，南北半球水汽壓高值區和低值區在兩個典型高度都很顯著，4月和10月位于過渡性季節，水汽壓的高值區和低值區變化不明顯。

本文利用探空數據開展COSMIC大氣水汽廓線質量分析，由于探空氣球為傾斜式上升，探測路徑與COSMIC掩星路徑不同，特別是在對流層頂，探空儀的觀測誤差會增大。因此，利用探空數據對COSMIC掩星大氣水汽進行質量分析存在一定誤差。此外，本研究僅選擇探空儀觀測的特征層高度進行質量分析，由于COSMIC大氣水汽廓線有400層數據，故對其驗證也有局限性。隨著COSMIC-2衛星的成功發射，有待用其他衛星的掩星產品或不同類型的衛星數據進行交叉檢驗，以期得到理想結果。